Materiály limitou obnovitelné energie?

Máme dostatek drahých materiálů na výstavbu obnovitelných zdrojů? Máme dost lithia pro akumulátory a dost neodymu pro permanentní magnety elektromotorů a větrných elektráren? Nevadí, že jsou v Číně? Máme jiná řešení?  

Často opakovanou námitkou zpochybňující budoucí dominantní roli obnovitelných zdrojů je jejich  materiálová náročnost, především technologií sluneční a větrné energetiky.

Není pochyb, že limitou každé výroby jsou zdroje a energie na jejich proměnu. Tyto limity nelze nikdy zcela odstranit, ale sofistikovaným přístupem nejenom k produkci, ale i ke spotřebě lze jejich účinek zmírnit.

V rámci jedné konkrétní technologie nelze dosáhnout plné obnovitelnosti a udržitelnosti. Tato kritéria jsou dosažitelná pouze v komplexním procesu – jediným známým příkladem je příroda. Na rozdíl od soudobé civilizace, je při vší své složitosti druhů, tvarů, chování i komunikace vybudována především z několika lehkých a dobře dostupných prvků (C, O, H, N, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, Fe…) přičemž těžší a méně obvyklé prvky jsou přítomny jen ve stopových množstvích (Zn, Cu, Co, I, …).

Příroda je jedinou oblastí, kde je možná 100 % recyklace v komplexu navazujících kroků. Recyklace materiálů v technické civilizaci je vždy jenom částečná, a proto současné pojetí cirkulární ekonomie není trvalým řešením a vyčerpání zdrojů může jen oddálit.

Zbývá otázka o teoreticky možné a reálně dosahované recyklační míře. Z obecných principů a druhé věty termodynamické plyne, že teoreticky nelze dosáhnout 100 % míry recyklace.  

Praktická míra recyklace je na tom v současné chvíli mnohem hůře. Podle studie má méně než jedna třetina z 60 studovaných kovů míru recyklace vyšší než 50 procent a 34 prvků má míru recyklace nižší než 1 procento. Můžeme uvést příklad mědi, když uvážíme 30 let průměrného používání a 65% recyklace, za 120 let tedy zbude z původního množství necelých 18 procent.

Současně, ruku v ruce s legislativně i technologicky podpořenou recyklací a hledáním příznivějších materiálových vstupů, musí jít změna paradigmatu v soudobé, jednosměrně a bez širší alternativy materialisticky založené společnosti. Jako bychom byli přesvědčeni, že čím bohatší a majetnější člověk či společnost je, tím je lepším člověkem a tím lepší společností jsou.  Nakonec budeme muset přijmout systémovou změnu, protože nekonečný (materiální) růst, který nám diktuje současné paradigma je zhoubou, nakonec i sám sobě.

Materiály pro fotovoltaiku

Zdaleka nejběžnějším polovodičovým materiálem používaným v solárních článcích je křemík, který představuje přibližně 95 % dnes prodávaných modulů. Křemík je druhým nejrozšířenějším materiálem zemské kůry. Solární články vyrobené z křemíku poskytují kombinaci vysoké účinnosti, nízké ceny a dlouhé životnosti. Očekává se, že moduly vydrží 25 let nebo více a po této době budou stále produkovat více než 80 % původního výkonu.

Další materiály jsou potřeba pro tenkovrstvé články, jejichž aktivní vrstvy lze nanést různé povrchy.  Jde o telurid kadmia (CdTe) a diselenid mědi a india a galia (CIGS) a amorfní křemíkové germaniové solární články (a-SiGe), následovány stříbrem, kadmiem, selenem, telurem, indiem, galiem a kovy vzácných zemin (neodymem, praseodymem, dysprosiem, terbiem).

Poptávka po kovech pro výrobu zařízení větrné a solární fotovoltaické energie byla zpracována  pro Spojené státy do roku 2040. Byly shrnuty produkty související s klíčovými technologiemi obnovitelné energie: krystalické křemíkové solární články (c-Si), telurid kadmia (CdTe), měď, indium, galium, selenidové solární články (CIGS). Byla vznesena obava na tím, že většinu geologických zásob vlastní Čína. Odhaduje se, že pro různé scénáře přechodu na čistou energii bude zapotřebí o 15–43 procent více kovů než pro scénář bez přechodu.

Relativně novým materiálovým konceptem jsou tenkovrstvé perovskitové solární články, pojmenovány podle charakteristické krystalové struktury. Jsou založeny na organometalických sloučeninách, snadno se vyrábí a jejich účinnost se podobá krystalickému křemíku. Laboratorní účinnost perovskitových článků se velmi rychle zlepšovala, ze 4 procenta v roce 2009 na více než 25 procent v roce 2020.

V květnu 2023 posunul výzkum ve fotovoltaické laboratoři univerzity KAUST v Saudské Arábii hranice tandemového článku s perovskity a křemíkem na 33,7procentní účinnost. Dále se řeší stabilita a nízkonákladové výrobní techniky.

Organická fotovoltaika je v současnosti jen asi z poloviny tak účinná jako krystalické křemíkové články, má kratší provozní životnost, ale jejich výroba ve velkých objemech by mohla být levnější. Lze je také aplikovat na různé podkladové materiály, jako na pružný plast, a proto mohou sloužit široké škále aplikací.

V poslední době vstupuje do hry nový typ fotovoltaiky na bázi ferroelektrických krystalů. Nově formovaná konstrukce fotovoltaického článku je založena na vrstvení tří titaničitanů – baria, stroncia a vápníku. Výsledný materiál byl vyroben z 500 vrstev o celkové tloušťce asi 200 nanometrů.  Na rozdíl od křemíku nevyžadují ferroelektrické krystaly pro vytvoření fotovoltaického efektu PN přechod, žádné pozitivně a negativně dotované vrstvy. Díky tomu je výroba solárních panelů mnohem jednodušší. Odborníci jsou přesvědčeni, že potenciál, který nový koncept představuje, lze využít pro praktické aplikace v solárních panelech. Použité materiály jsou běžně dostupné, levné a stabilní.

Elon Musk představil nové solární panely využívající feroelektrické krystaly, které by se měly vyrábět od příštího roku.  Nová fotovoltaika firmy Tesly by měly být 10x levnější, účinnější a měla by se začít vyrábět v nadcházejícím roce. Fotovoltaický článek bude koncipován na analogickém principu tenkovrstvých solárních panelů ze selenidu mědi a india a galia.

Recyklace PV

Častou námitkou proti fotovoltaice je smyšlenka, že po skončení životnosti zůstanou na polích stát ruiny fotovoltaických elektráren. Tato argumentace se často používá proti fotovoltaické instalaci v krajině. Proti tomu ovšem v ČR stojí právní řád, speciálně nařízení k odstranění stavby podle § 129 stavebního zákona. Ale ne jenom. Vysloužilé nebo poškozené fotovoltaické články nejsou odpadem, ale surovinou, protože je lze recyklovat. O recyklaci, především o sběr, třídění fotovoltaiky a další elektroniky se stará již v roce 2007 založená evropská nezisková organizace PV-CYCLE . Firma Veolia recyklovala v roce 2018 1800 tun fotovoltaických panelů a celkové množství by mělo vzrůst až na 4000 tun.

V Německu na recyklačním trhu končí ročně kolem deseti tisíc tun křemíku ze starých fotovoltaických modulů, ale od roku 2029 to bude několik set tisíc tun ročně. Ještě v nedávné době se přepracovával pouze hliník, sklo a měď ze starých modulů, nikoli však křemíkové solární články. Aby bylo možné tento materiál nadále používat, bylo ve spolupráci s Fraunhoferovým institutem navrženo řešení: křemík modulů byl recyklován v průmyslovém měřítku a použit k výrobě nových solárních článků PERC.

Pro zlepšení recyklace fotovoltaiky byly nově navrženy mikrovlny, které významně urychlí a usnadní proces na konci životnosti.  Ohřev mikrovlnným zářením je stejně účinný jako v peci, ale ekonomičtější, protože trvá pouze několik sekund. Šetří energii, neboť mikrovlny ohřívají pouze fotovoltaicky aktivní křemík.  Plastový ochranný povlak z etylenvinylacetátu, změkne, a tak přináší rozhodující výhodu, pokud jde o recyklaci. Plast lze jednoduše mechanicky odstranit, chemická separace již není nutná. Zbývající křemík lze pak roztavit a znovu použít k výrobě solárních článků.

 Stříbro ve fotovoltaice

Současné nejběžnější fotovoltaické panely mají na 1 m2 10 až 20 g stříbra na zadní stěně, které slouží k odvádění elektronů. Rostoucí cena stříbra je hnána spotřebou pro fotovoltaiku a jeho cena činí 6% celkové ceny panelu. Cesty snížení spotřeby stříbra jsou v principu dvě. Recyklace stříbra a nahrazení levnějším materiálem.

Recyklace stříbra je snadnou chemickou cestou pomocí hydroxidu sodného a směsného roztoku organické kyseliny a peroxidu vodíku. Stříbro se získá elektrolýzou, a vysoce čistý křemíkový materiál odstraněním nečistot kyselinou fluorovodíkovou.

Jiná metoda recyklace  stříbra používá roztok chloridu hlinitého, který odstraní hliník z křemíkového plátku. Ve druhém kroku se stříbro ze solárního článku rozpustí pomocí chloridu železitého a oxidačního činidla v cholinchloridu nebo chloridu vápenatém. Použité chemikálie jsou široce dostupné, levné a málo toxické. Touto cestou se získá chlorid stříbrný o čistotě 98 % a lze jej přeměnit na kovové stříbro. Tento proces neovlivňuje křemíkový plátek a nitridový antireflexní povlak, a ponechává otevřenou možnost opětovného použití křemíku ve FV panelech nebo jeho zpracování pro jiné účely.

Stříbro lze nahradit mědí nebo hliníkem. Na 48 IEEE fotovoltaické konferenci bylo uvedeno, že v roce 2021 překonaly články s mědí účinnost 19,4 % a tím zdolaly problémy s adhezí a difuzí mědi do křemíku. 

Australská společnost SunDrive oznámila v roce 2022 dosažení účinnosti 26,41 % u plnohodnotného křemíkového heterojunkčního (HJT) solárního článku s technologií na bázi mědi. 

Natcore Technology Inc. dosáhla komerční úrovně účinnosti pro své laserem zpracované solární články. Firma zdokonalila strukturu křemíkových článků Natcore  se zadním kontaktem, která využívá levný hliník místo drahého stříbra. V roce 2016 články dosáhly účinnosti 17,5 %, což byl ekvivalent typických komerčních článků, které byly tehdy na trhu.

Magnety do elektromotorů a generátorů větrných elektráren

Elektromotory i generátory proudu jsou zařízení, která potřebují velmi silné permanentní magnety a ty se dnes pořizují z prvků vzácných zemin. Těžba těchto minerálů je zatížena velikými náklady a ekologickými škodami. V současné době převládající magnety obsahují především neodym. Velikou část známých zásob v tuto chvíli vlastní Čína a díky zvýšené poptávce i geopolitické stabilitě prudce roste cena. Těžba kovů vzácných zein je díky jejich rozptýlení v matečné hornině spojena s velikými ekologickými škodami.  

Při hledání alternativ bez vzácných zemin byl nalezen tetragonální Fe–Ni. Tato fáze, označovaná jako minerál tetrataenit, se nachází v železných meteoritech a její vznik je připisován ultrapomalému ochlazování.   Bylo ale zjištěno, že vhodným složením slitiny s přídavkem fosforu je možná hromadná syntéza  tetrataenitu i při konvenčním odlévání při rychlostech ochlazování o 11-15 řádů vyšších než v případě meteoritů, čímž se otevírá možnost zpracování pro permanentní magnety bez vzácných zemin. 

Tetrataenit není jedinou možností náhrady magnetů z kovů vzácných zemin.

Firma Niron Magnetics vyrábí patentované materiály Clean Earth Magnet, které mají vyšší magnetizaci a lze je vyrábět s nižšími náklady. Pomocí škálovatelného procesu bude Niron vyrábět vysoce výkonné magnety z nitridu železa (Fe16N2) za použití běžně dostupných surovin, které lze získat globálně udržitelným způsobem. Společnost nyní připravuje místo pro produkční závod, který by se měl začít stavět v roce 2025, měl by být hotov za dva roky s předpokládanou výrobou do deseti tisíc tun ročně.

Recyklace turbínových lopatek

Větrná energie je nezbytnou součástí energetického mixu, protože vítr sezónně doplňuje sluneční energii. Větrná energie patří dnes s energií fotovoltaickou mezi nejlevnější energetické zdroje.

Často opakovanou námitkou proti větrným elektrárnám je jejich údajná nerecyklovatelnost. Uvádí se, že použité lopatky větrných elektráren se nerecyklují a po rozřezání se ukládají na skládkách. Tuto někdejší praxi, je možné dnes opustit a materiál lopatek větrných turbín po nadrcení využít v  cementářských pecích jako součást vsázky. Při tomto procesu se využijí jak skleněná vlákna kompozitu, tak anorganická plnidla, příkladně oxid vápenatý. Polymerní složka částečně nahradí fosilní palivo.

Ocelové části turbíny stožár a gondola a další technické kovy se po ukončení životnosti recyklují běžným způsobem a betonové základy se mohou částečně využít pro repowering, tedy vybudování menšího počtu výkonnějších větrných elektráren.

Společnost Vestas použila nově objevený chemický proces recyklace, s jehož pomocí lze turbínové lopatky na bázi epoxidu, ať už z provozu nebo ležící na skládce, přeměnit na zdroj suroviny pro výrobu nových turbínových lopatek.

Srovnání materiálové náročnosti větrné a jaderné energie

Jaderný průmysl se rád charakterizuje jako udržitelný zdroj energie. K udržitelnosti lze přistupovat z různých hledisek. Srovnání udržitelnosti různých energetických systémů je správné ale jen tehdy, když se srovná čistá výroba energie za dobu životnosti a spotřeba materiálu posuzovaných systémů, měřená v celém životní cyklu.  Výroba 1 kWh elektřiny v jaderné elektrárně vyžaduje 12 g zpracovaných materiálů, z nichž lze recyklovat 5 g, 17 g vody pouze na těžbu, která bude kontaminována, 26 g uranové rudy a 130 g vytěžené horniny. Na 1 kWh elektřiny z větrné energie se jedná o 5,2 g zpracovaných materiálů, které lze všechny recyklovat. Oba systémy jsou hodnoceny od kolébky do hrobu. Uranová ruda zásobující jaderný systém má koncentraci 0,1 % U.  

Alternativní technologie výroby baterií

Existuje mnoho alternativních typů baterií, jako metal-ion (např. sodno-iontové nebo zinko-iontové baterie) nebo baterie typu kov-vzduch (např. baterie zinek-vzduch), které nabízejí vysoký potenciál pro větší udržitelnost, nižší náklady nebo nižší spotřebu zdrojů, někdy mají nevýhody, jako je nižší energetická hustota nebo nízká technologická vyspělost. Baterie kov-síra mohou mít vyšší hustotu energie a očekává se, že jejich náklady budou výrazně nižší než u lithium iontových kvůli nízkým nákladům na síru na kWh. První sodíkové iontové baterie se již používají v elektrických dvoukolkách a malých automobilech.

Mohou být alternativní technologie baterií levnější než lithium iontové? Ačkoli alternativní technologie baterií mají potenciálně nižší materiálové náklady, jejich náklady na články budou pravděpodobně zpočátku vyšší kvůli malému rozsahu výroby. Škálování výroby přináší značné nákladové výhody, ale to vyžaduje dostatečně velké trhy a aplikace v měřítku GWh.

Jak je na tom Evropa, pokud jde o alternativní technologie baterií? Patentové a publikační analýzy ukazují, že země EU jsou na tom lépe, pokud jde o redoxní průtokové baterie, lithium-vzduchové nebo hliníko-iontové baterie, než jsou v současnosti lithium iontové, ale Japonsko a Čína zde zůstávají lídry. U některých alternativních bateriových technologií jsou země EU vysoce dynamické s roční mírou růstu mezi 10 a 50 procenty, u lithium iontových je růst kolem 10 procent.

Redoxní průtokové baterie jsou již dostupné, je třeba ale zlepšit náklady a emisní stopu.  Často jsou redoxflow baterie na bázi vanadu, což přináší vyšší cenu a obtíže s dostupností. Zájem se koncentruje na široce dostupné biologické substráty, především lignin, sulfonovaný lignin a jeho deriváty. Autoři soudí, že tato technologie bude schopna levné a velkoobjemové akumulace elektrické energie, bez nutnosti těžby speciálních kovů.

Akumulace nemusí probíhat jen elektrochemickou cestou, která sice přináší ve většině případů vysokou účinnost, ale současně vysoké investiční náklady.  Při velmi nízkých produkčních nákladech větrné a fotovoltaické elektřiny bude ekonomické skladovat energii za vysokých teplot v rozžhaveném materiálu, příkladně křemíku nebo grafitu. Vysokoenergetické fotony jsou zpětně převedeny na elektřinu v termofotovoltaickém zařízení.  Neabsorbované fotony byly v navrženém zařízení recyklovány odrazen na zlatém povrchu. Při teplotě wolframového emitoru 2 400 °C dosáhlo zařízení maximální účinnosti 41 %, což ve spojení s nízkými investičními náklady představuje výhodnou možnost velkoobjemové akumulace elektřiny.

Co z toho plyne?

Prismatem srovnání dosahovaných technologických pokroků v komponentách obnovitelných zdrojů a akumulace je třeba položit si otázkou, zda česká orientace na jadernou energii není zásadní chybou. Pochopíme-li, jak rychle klesá cena obnovitelných zdrojů, jak se rozšiřují materiálové možnosti směrem k ekologicky přijatelnějším materiálům a postupům, pak je orientace České republiky na jadernou energii nedomyšlenou energetickou politikou.  Již nyní je průměrná cena jaderné elektřiny dvakrát vyšší, než fotovoltaická či větrná elektřina s akumulací.

Vlastní stavba nové dukovanské jaderné elektrárny by měla začít v roce 2029 a dokončena by měla být v 2036. Doba výstavby je uváděna v souhlase s průměrnou dobou od začátku konstrukce jaderné elektrárny až do připojení k síti v posledních letech. Průměrná doba ovšem zahrnuje rychlejší výstavbu v Číně, zatímco evropské stavby jsou delší a dosahují spíše 10 let. V Evropě máme i mnohem horší případy: výstavba finské elektrárny Olkiluoto 3 se zpozdila o dvanáct let a francouzská jaderná elektrárna Flamanville 3 se začala stavě v roce 2007, měla být spuštěna v roce 2012 a bude (prý) spuštěna na začátku roku 2024. Původně byla oznámená cena 3,3 miliardy euro, ale poslední oznámená cena (červenec 2020) se vyšplhala na 19,1 miliardy.

Je třeba si položit si otázku, jaká bude cena jaderné energie v porovnání s cenou obnovitelné elektřiny včetně akumulace za nějakých 12 (či více let), kdy by podle plánu měla být k síti připojena nová jaderná elektrárna v Dukovanech.

Jaké budou velmi pravděpodobné následky této energopolitiky? Obrovské zadlužení státu i občanů provázené nuceným nákupem předražené elektřiny, energetická chudoba a obrovské příjmy energetických monopolistů. Je tohle opravdu zájem veřejnosti?